Глава 10. Биосфера и ее переход ноосферу

В современном строении земной коры, происходивших и происходящих здесь глобальных и локальных геологических процессах далеко не последнюю роль играет живое вещество, надежно установленное пока только на нашей планете. Первичная атмосфера земли, была углекисло-метановой, как и на других планетах земной группы. Ее дальнейшее изменение связано с развитием живых организмов. До появления организмов с хлорофилловой функцией еще в докембрии, основным механизмом выделения свободного кислорода была реакция фотодиссоциации водяных паров под действием ультрафиолетового излучения. Поэтому жизнь могла развиваться только в океане (Рис.13.2.). Но уже в кембрии за счет фотосинтетических реакций: СО₂ + Н₂О + световая энергия → СОН₂ + О₂

содержание кислорода в атмосфере достигло 0.1% современного и стало экраном губительного для живого вещества ультрафиолета (эффект Юри). Только после этого живые организмы смогли осваивать сушу. Постепенно расширялся ареал и разнообразие живых организмов и увеличивалось поступление кислорода в атмосферу (рис.10.1).

Однако, подавляющая часть кислорода, выделяющегося в результате жизнедеятельности живых организмов, расходуется на окисление компонентов атмосферы и гидросферы. Значительные массы двухвалентного железа, растворенные в первичном океане, имевшим кислую (масса углекислоты), восстановительную среду, окисляются до трехвалентного состояния и переходят в осадки. За счет уменьшения масс углекислоты уменьшается кислотность океанических вод, и, в результате увеличения активности СО₃^2- ионов, начинается отложение железистых и магнезиально-железистых карбонатов. В совокупности эти процессы дают начало массовому накоплению железистых осадков, давших начало железистым кварцитам, львиная доля которых сосредоточена в породах этого периода. По мере накопления кислорода в атмосфере создаются условия для образования стабильного озонового экрана и появления многочисленных форм жизни. Концентрация кислорода в атмосфере, в 10% от современной, подготовила эволюционный скачок в развитии биосферы.

Все эти биогеохимические процессы, происходящие на границе трех сред: твердой, жидкой и газообразной, изменили не только состав атмосферы и гидросферы, но и химизм всех геохимических циклов земной коры. До появления организмов с кальциевым скелетом (иглокожие, кораллы, раковины моллюсков) основная масса осадков имела кремнисто-глинистый состав. Появление мощных карбонатных толщ не только кардинально изменило состав осадочного чехла, но и повлияло на все дальнейшие процессы прогрессивного и регрессивного метаморфизма. В составе эндогенных флюидов существенную роль начинает играть углекислота. По-существу огромные массы СО₂ первичной атмосферы перекачиваются в литосферу, но не физико-химическим путем, а через живое вещество биосферы.

Мягкие тела живых организмов создают не только залежи угля, нефти и газа, но и то рассеянное органическое вещество, которое содержится в любой осадочной и метаморфической породе. Их общая масса существенно превышает массу скоплений горючих полезных ископаемых. По данным А.Б. Ронова и др. среднее содержание С_орг в земной коре составляет 0,06 мас. %. Это около четверти всего углерода (СО₂ + С_орг) сосредоточенного в земной коре. Этот углерод во многом способствует созданию тех восстановительных обстановок, которые характерны для эндогенных процессов.

В настоящее время все зеленые растения планеты генерируют кислород в количестве порядка 1,2^.10¹¹т/год. При такой интенсивности поступления О₂ в результате фотосинтеза для удвоения массы всего кислорода атмосферы потребовалось бы всего несколько тысяч лет. Однако, наряду с образованием новых атомов свободного кислорода в атмосферу происходит постоянный его расход на самые различные процессы окисления. Это и поверхностное окисление отмирающего органического вещества, и образование различных кор выветривания, окисление продуктов вулканических извержений и т.п. В настоящее время к этому добавляется расход кислорода на сжигание ископаемого топлива, металлургические и другие технологические процессы. Это вносит свои коррективы в установившиеся ранее равновесия.

Таким образом, история кислорода и углерода внешних оболочек нашей планеты теснейшим образом связаны между собой на протяжении всей ее геологической истории. Обмен этими элементами между тремя геосферами в значительной части происходит через живое вещество. Поглощая энергию солнечных лучей, оно разделяет углерод и кислород углекислоты, возвращая кислород в атмосферу, и направляя углерод в литосферу. Здесь происходит разделение его путей на две ветви: карбонатную, формируемую скелетами организмов, и каустобиолитную – образуемую мягкими телами организмов (рис.10.2).

Ориентировочные данные оценки изменения парциального давления углекислоты наземной атмосферы, отражающие общую тенденцию этих процессов, приведены на рисунке 10.3.

В первый миллиард лет геологической истории содержание этого компонента уменьшилось более чем вдвое. 2 млрд. лет тому назад в атмосфере остается около 3% первоначального содержания СО₂, а 1 млрд. лет назад содержание этого компонента становится практически равным современному. Таким образом, первые 2,5 млрд. лет живое вещество интенсивно работает на преобразование химического состава косных оболочек Земли. Эти процессы углублялись по мере эволюции биоты. В течение всего фанерозоя этот процесс идет уже только в рамках общего круговорота вещества земной коры, поддерживая состав атмосферы.

Основной по массе элемент современной атмосферы – азот – также не составлял основу первичной газовой оболочки Земли. Процессы денитрификации в биогеохимическом цикле азота, разложение и окисление его соединений поставляют свободный азот в атмосферу, а организмы, осуществляющие биологическую азотофиксацию, развитые не столь широко как фиксирующие углерод. Фотохимические реакции в атмосфере связывающие этот не столь химически активный элемент, не мешают его накоплению в газовой фазе (рис.10.4).